Измеритель углов ориентации подвижного объекта
Использование: в навигационном приб ростроении, в частности в системе опреде ления магнитного курса, крена и тангажа подвижных объектов. Сущность изобретет|я: в измеритель введены измеритель линейной скорости, первый и второй измерители угловой скорости, установленные соответственно по продольной, поперечной и нормальной осям объекта, два перёмнржителя, четыре алгебраических сумматора, интегратор и низкочастотный фильтр. При этом первый и второй измерители угловой скбрости соедйнены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, вторые входы которых подключены к измерителю линейной скорости, а их выходы - к первым входам соответственно первого и второго сумматоров , соединенных вторыми входами соответственно с третьим и вторым акселерометрами и выходами с входами блока вычисления крена. Блок вычисления магнитного курса соединен через третий сумматор, фильтр и четвертый сумматор с регистратором магнитного курса, при этом ; второй измеритель угловой скорости соединен через интегратор с другими входами третьего и четвертого сумматоров. 2 ил. С/) С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК! !
ГьуСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР
QПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ uаиз зсер - i" з "; т ((ф г М СТЕН„н, 1 (21) 4931104/10 (22) 24.04.9.1 (46) 07.02.93, Бюл, М 5 (71) Киевский политехнический институт им. 5! -летия Великой Октябрьской социалистичйскоЙ революции (72) В.А.Степанов, В.Н.Попов и Щ.А,СкобицI» кий (5б) Одинцова А.А. Теория и расчет гироскопических приборов. Киев Вища школа, Головное издательство, 1985, с.74 — 75, рис.2.4. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВ ОРИЕНТАЦИИ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА (57) Использование: в навигационном приборостроении, в частности в системе определения магнитного курса, крена и тангажэ подвижных объектов. Сущность изобретен я: в измеритель введены измеритель лин йной скорости, первый и второй и мерители угловой скорости, установленИзобретение относится к навигационн му приборостроению, в частности к сист мам определения магнитного курса, крена и тангажа (дифферента) подвижных объектов. :-!:Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, является измеритель углов орие тации подвижного объекта, который содержит, чувствительные элементы: первый ф рромодуляционный преобразователь (ВАМП) и первый линейный акселерометр, второй ферромодуляционный преобразователь, третий ферромодуляционный преобразователь, три регистратора выходной информации и вычислитель, Вычислитель — Ф. „„. Ж „„1793228 А1 ные соответственно по продольной, поперечной и нормальной осям объекта, два йеремножителя, четыре алгебраических сумматора, интегратор и низкочастотный фильтр. При этом первый и второй измерители угловой скорости соедилнены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, вторые входы которых подключены к измерителю линейной скорости, а их выходы — к первым входам соответственно первого и второго сумматоров, соединенных вторыми входами соответственно с третьим и вторым акселерометрэми и выходами с входами блока вычисления крена. Блок вычисления магнитного курса соединен через третий сумматор, фильтр и четвертый сумматор с регистратором магнитного курса, при этом второй измеритель угловой скорости соеди- нен через интегратор с другими входамь третьего и четвертого сумматоров, 2 ил. l 4 включает в свой состав блоки вычис. ения 0 крена, тангажа и магнитного курса, Блоки () вычисления крена и тангажа реализованы в с виде аналоговых электромеханических вычислителей, содержащих синусно-косину;. - р ные вращающиеся трансформ;"торы, усилители и двигатели. Блок вычисления магнитного курса включает в свой состав три синусно-косинусных вращающихся трансформатора, усилитель и двигатель. Второй и третий линейные акселерометры измерителя подключены к соответствующим входам блока вычисления крена, который первым выходом соединен с регистратором крена и первым входом блока вычисления магнитного курса, а вторым 1793228 g sin v+ Vn - aictg (цахуаБЧ+ +чуь,) ms(y+h,у)+(цапу ссеЧ вЂ” д, +чу го,) вп(у+Лу) - v+hv — Т„сссф+Лу +T,sin +Л (Тх slA (у + Лу) Т cos (g +Ау)) slA (V + Л Ч) + Ту cos (V + Л Ч) выходом — с одним из входов блока вычисления тангажа. Другой вход блока вычисления тангажа подключен в первому линейному акселерометру, а выход — к реги-. стратору тангажа и второму входу блока вычисления магнитного курса. Третий, четвертый и пятый входы порледнето соединены соответственно с первым, вторым и третьим ферромодуляционным преобразо-вателем, а выход подключен к регистратору магнитного курса. l -1ри движении подвижного объекта линейный акселерометр измеряет кажущие " ускорения в соответствии с выражением с учетом (5.2) - (У+ ф х У- f, ц где V.— вектор скорости поступательного движения места установки ЛА относительно Земли; б — вектор абсолютной угловой скорости объекта; V - вектор угловой скорости dЧ вращения Земли; — — локальная произdt водная вектора V; f — вектор ускорения силы тяже сти. При атом для движения многих подвижных обьектов (летательных аппаратов (ЛА), буксируемых гидрофизических станций и т д.) характерно выполнение неравенств V«6 и Vy, Vx, Vz(>,õ,z — продольная, поперечная, нормальная оси о6ьекта). Учитывая это, и на основании выражения (1) выходные Из формул (2) и (4) вйдно, что крен и тангаж в измерителе определяются с погрешностями Лу, Л V, вызванными движением объекта. Магнитйый курс объекта в измерителе определяется путем вычисления на основании сигналов с ФМП и информации об углах отклонения объекта от плоскости горизонта в следующем виде: Кц" Т cos + Т sin = arctg (Tx 8!и у Tz сов y) sin V + Ту cos V (5) Магнитный курс обьекта также определяется с погрешностью Л KM. сигналы первого, второго и третьего ЛА измерителя можно представить в следующем виде: 5 dV а„= g sin V+ — ; dt а =-о sin усозЧ+ — V в,; d Vx бт а = gcqs y CoS V + + Vy â,, (2) д% где а — проекция вектора б на нормальную ось объекта; Ч (i=y,х,z) — проекции вектора V на про-. дольную; поперечную и нормальную оси обь1 екта. Тангаж V и крен у объекта в измерителе -определяются вычислителями на основании показаний ЛА по формулам соответственно 20 . дх у = arctg("); аг а cos у- а з! и у Измеренные значения крена у> и тангажа Vn объекта описываются следующими. выражениями (с учетом выражения (2)): slA У сов V — + Vy cl)z d Vx 30 уп = arctg d Vz cos icos Ч + — + Чу l бт = у+ у . (4) где Ту,Tх и Tz — выходные сигналы первого, 35 второго и третьего ФМП. Точность определения измерителем магнитного курса подвижного, объекта ограничена его погрешностя40 ми в определении тангажа и. крена объекта, На основании формулы (5} из меренное значение магнитного курса Км описывается следующим выражением: Целью изобретения является повышение динамической точности измерения уг1793228 10 oxyz 50 55! лов ориентации подвижного объекта путем компенсации в выходных сигналах составляющих ускорения, вызванного движением об ьекта и реализацией компенсационной . I схЬмы измерения курса с низкочастотным фильтром разностного сигнала. ! Цель достигается тем, что в измеритель углов ориентации подвижного обьекта, содержащий первый ферромодуляционный преобразователь и первый линейный акселе рометр, второй ферромодуляционный преобразователь и второй линейный акселерометр, третий ферромодуляционный преобразователь и третий линейный акселерометр, установленные попарно соответственно по продольной, поперечной и нормальной осям объекта, регистратор магн тного курса, блок вычисления крена, перв м выходом соединенный с регистратором крена и первым входом блока вычисления м гнитного курса, вторым выходом — с одн м из входов блока вычисления тангажа, другой выход которого подключен к первому линейному акселерометру, а выход подкл очен к регистратору тангажа и к второму вхЬду блока вычисления магнитного курса, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с первым, втоI рь м и третьим ферромодуляционными преобразователями, введены измеритель линейной скорости, первый и второй измер тели угловой скорости; установленные со От етственно по продольной, поперечной и н рмальной осям объекта, два перемножителя, четыре алгебраических сумматора, интегратор низкочастотный фильтр. Первый и второй измерители угловой скорости соединены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей; вторые входы которых подключены к измерителю линейной скорости, а их выходы подключен к первым входам соответственно перво-. го и второго сумматоров, соединенных ет1рыми входеми соответственное третьим и TopblM акселерометрами, а выходами с входами блока вычисления крена. Блок вычисления магнитного курса соединен чердез третий сумматор, фильтр и четвертый сумматор с регистратором магнитного курса, при этом второй измеритель угловой скоростй соединен через интегратор с другими входами третьего и четвертого сумматоров. Включение в измеритель первого и втоpdro сумматоров, двух перемножителей, первого и второго измерителей угловой скорости и измерителя линейной скорости направлено на компенсацию в выходных сигналах второго и третьего линейного акселерометра составляющих Vy à и Vy в, ускорения, вызванного движением объекта. При этом уменьшаются погрешности как в определении тангажа, крена, так и магнит- ного курса обьекта. Включение в измеритель интегратора, фильтра низких частот, третьего и четвертого сумматоров, а также второго измерителя угловой скорости направлено на повышение точности измерения магнитного курса обьекта за счет реализации компенсацйонной схемы его измерения, На фиг.1 изображена фуйкциональная схема измерителя углов ориентации по- движного объекта; на фиг.2 приведен кинематический чертеж, поясняющий взаимосвязь проекций вектора Т напряженности магнитного поля Земли на оси земной системы координат О r (, имеющей "магнитную" ориентацию (ось t) горизонтальйая и лежит в плоскости магнитного меридиана, ось (направлена по вертикали в зенит) и связанной с обьектом системы координат Измеритель углов ориентации подвижного объекта (фиг.1) состоит из йерьвого лйнейного акселерометра 1 и первого ферромодуляцион ного преобразователя 2, второго линейного акселерометра 3 и второго ферромодуляционного преобразователя 4, третьего линейного акселерометра 5 и третьего ферромодуляционного и реобразователя 6, установленных попарно по продольной, поперечной и нормальной осям обьекта, первого 7 и второго 8 измерителей угловой скоростй, установленных соответ-. ственно по поперечной и норма lbHOA осям объекта, и измерителя 9 линейной скорости, установлейного по продольной оси, Первый 7 и второй 8 измерители угловой скорости соединены с первыми входами соответственно первого 10 и второго 11 перемножителей, к вторым входам которых подключен измеритель 9 линейной скорости объекта. Выходы первого f0 и второго 11 перемножителей соединены с первыми входами соответственно первого 12 и второго 13 сумматоров, к вторым входам которых подключены третий 5 и второй 3 линейные ак- селерометры. Выходы первого 12 и второго 13 сумматоров соединены соответственно с первым и вторым входами блока 14 вычисления крена, первый выход которого подключей к первому входу блока 15 вычисления магнитного курса и регистрато- ,ру 16 крена, второй выход — к одному из входов блока 17 вычисления тангажа, другим входом соединенного с первйм линейным акселерометром 1, Выход блока 17 7 1793228 . 8 подключен к регистратору 18 тангажа и к . го сумматора 13, на первый инверторный второму входу блока 15 вычисления магнит- вход которого с второго перемножителя 11 ного курса, третий, четвертый и пятый входы постуйает сигнал, пропорциональный V> в,. которото соединены соответственно с пер- С третьего линейного акселерометра 5 сигнал, вым 2, вторым 4 и третьим 6 ферромодуля.— 5. пропорциональный согласно формулам(2) выционными преобразователями. Выход: ...:,, d Vz блока 15 вь,числения магнитноГО курса че Р . Я Хюуож ч+ dt +ЧУ рез третий сумматор 19, низкочаСтотный ступает на второй вход первого 12 фильтр20ичетвертыйсумматор21 подклю- сумматора, на первый ийверторный вход чен к регистратору 22 магнитного курса, 10 кбторого с первого перемножителя 10 поВторой измеритель 8 угловой скорости че-" ступает сигнал, пропорциональный рез интегратор 23 соеДинен с другими вхо- Vy "(о,. На выходе первого 12 сумматора дами третьего 19 и четвертого 21 формируется сигнал, пропорциональный сумматоров..: .,:::..: " " ..:.... d Ч Блоки питания на фиг.1 не показаны для 15 g сов 7 сов Ч + и, котоРый идет на уйрощения и из-за отсутствия связи йх C первый вход блока 14 вычисления крена. В существОм предлагаемого технического pe- .: то же время на выходе второго 14 сумматора шения. : "::.:;....: формируется сигнал, пропорциональный B качестве измерителей 7 и 8 угловой . : d V„ скорости могут быть использованы гироско- 20 g sin y . cos пические измерители угловой скорости или второй вход блока 14 вычисления крена. B лазерные гироскопы s Режиме 3 eрителеи блоке 14 формируются два сигнала, Первый угловой скорости (Пельпор Д,С„Михайлов Сигнал, пропорциональный крену объекта у И.А.; Бауман В.А, Гироскопичес приборы согласно формуле (3), поступает на регисти системы, — M. Высшая школа, 1988, с.424). 25 рэтор 16 крена и первый вход блока 15 выВ качестве измерителя 9 может быть ис- числения магнитного курса, а второй, пользовай измеритель истинной воздушйой пропорциональный выражению скорости в сочетании с доплеровским изме- .:.... - ..::.. - . - С у рителем скорости угла сноса (Иванов fQ.П., cos 7(ЯCOSyCOSV+ )+Siny Сйняков А,Н., Филатов И.B. Компенсирова- 30 ние информационно-измерительных уст- » (g sin y cos V- ) ° . Ройств летательнйх аппаРатов — Л: идетна Одинизвходовблока17вычисления МашиностРоение, 1984, с,207), РеализаЦйЯ " . тангажа. На другой вхОд блока j7 поступает айалоговОго фильтРа 20 низких частот с Hå- с nepaoro линейного акселерометра 1 сигобхоДимой передаточной функцией 35 нал, пропорциональный согласно формулам 1+2Тф Р .-::-:.-":.. (Р) 2 g - (2) выражению g slA V + .—.— . С блока 17 1+2ТфР+Тф Р .-, . - .. - dt дана в книге Тетельбаума И.M., Шнейдера иычисления тангажа сигнал о тайгаже объЮ.Р. 400 схем для АВМ. — М,: Энергия, 1978, екта согласно формуле (3) подается на регис.244:. :.:.: ..-:.:,,:: . : - . стратор 18 тангажа и второй вход блока 15 Измерйтель углов ориентации подвиж- вычисления магнитного курса. На третий, ного объекта работаетследующим образом, четвертый и пятый выходы последнего поВ процессе движения объекта на пер- ступают тйкже сигналы с йервого 2, второго вые входы первого 10 и второго 11 перемно- 4 и третьего 6 преобразователей, пропорцижйтелей поступают с измерителей 7 и 8 ональные проекциям вектора напряженно45 угловой скорости сигналы, йропорциональ- сти МПЗ, соответственйо T>,Т» и Òz. ные Соответственно проекциям аЪ и и аб- . Выходной сигнал блока 15 вйчисления магсолютной угловбй скорости объекта íà его нитного курса согласно выражению. (6) поперечную и нормальную оси. При этом на пропорционален Км+ Л Км, где Л К вЂ” высовторые входы перемножителей 10 и 11 с кочастотная погрешность измерения курса. 50 измерителя 9 линейной скорости объекта Этот сигнал поступает на инверторный вход подается сигнал, пропорциональный проек- третьего сумматора 19, на другой вход коции Ч скорости йостуг этельногодвижения тброго поступает сигнал с измерителя 9 У объекта на его продольную ось, Выходной угловой скорости, прошедший через интег"сйгнал второго линейного акселерометра 3, ратор 23. Он пропорционален выражению 55 пропорциональный согласно формулам (2) ci V„ f в dt= 1" (К +. й) dt = Км + ae t + Л К О, выражению g sin yCOS V+ —" — ЧУ в,, по- о о где hq — погрешность измерения угловой стУпает íà втоРОи инверторный вхоД вто о скорости изменения магнитного курса; А т— 1793228 20 низкочастотная погрешность измерения курса; Л К(0) — начальное рассогласование. На выходе третьего сумматора 19 формируется сигнал следующего вида: Км + Лг t+ + Л К(0)-К - Л К„. Таким образом, на" вход фильтра 20 низких частот с передаточной функцией, имеющей вид, например, W(p)= 1 +2Тф Р, Тф — постоянная 1+2Т .Р+Т гPг времени фильтра, поступает сигнал, пропорциональный Лг t+ Л К(0) (высокочастотн ю составляющую ЛКм сигнала низкочастотный фильтр не пропускает), дет нв инверторный вход четвертого сумматора 21. Так как при этом на его другой вход с интегратора 23 поступает сигнал, пропор1 Формула изобретения Измеритель углов ориентации подвиж. ного объекта, содержащий с первого йо третий ферромодуляционные преобразова1 твли, с первого по третий линейные акселер метры, регистратор магнитного курса, блок вычисления крена, первый выход которОго подключен к входу регистратора крена и первому входу блока вычисления магнитного курса, а второй выход подключен к первому входу блока вычисления тангажа, второй вход которого соединен с выходом первого акселерометра, а выход подключен к объединенным входам регистратора тангажа и второму входу блока вычисления магI нйтного курса, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с йервым, вторым и третьим ферромодуляционными преобразователями, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения динамической точности измерения углов ориентации, в него введены измеритель лициональный KM+ha t +АК(0), то на выходе сумматора 21 формируется сигнал, пропорциональныйый магнитному курсу Км. Этот сигнал идет на регистратор 22 магнитного 5 курса объекта, Преимущества данного измерителя по сравнению с прототипом следующие,. Уменьшаются погрешности в определении тангажа, крена и магнитного курса объекта 10 за счет компенсации в выходных сигналах второго 3 и третьего 5 линейных акселерометров составляющих ускорений обьекта— Ч„йЪ и Ч„ах, Дополнительно удается уменьшить погрешность в определении магнитного 15 курса за счет компенсации его высокочастотной составляющей погрешности Л KM. нейной скоростй, первый и второй измерител.. угловой скорости, два перемножителя,, с первого по четвертый алгебраические сумматоры, интегратор и низкочастотный фильтр причем первый и второй измерители угловой скорости соединены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, вторые входы которых подключены к измерителю линейной скорости, а их выходы подключены к llepBblM входам соответственно первого и второго сумматоров, соединенных вторыми входами соответственно с третьим и вторым акселерометрами, а вьходами соединенных с вХо- дами блока вычисления крена, блок вычисленйя магнитного курса соединен через третйй сумматор, низкочастотный фильтр и четвертый сумматор с регистратором магнитного курса, а второй йзмеритель угловой скорости соединен через утегратор с соответствую1цими входами третьетО и четвертого сумматоров, 1793228 Составитель Т,Иванова Техред M,Moðãåíòàft . Корректор А.Мотыль Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 494 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
